DE3404317A1

DE3404317A1 - PROTECTIVE CIRCUIT FOR DEVICES CONTROLLED BY ELECTRICAL SIGNALS

Info

Publication number: DE3404317A1
Application number: DE19843404317
Authority: DE
Inventors: Thomas 7014 Kornwestheim Aberle; David van Dipl.-Ing. 7251 Hemmingen Belzen; Immanuel Dipl.-Ing. 7151 Erbstetten Krauter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-02-08
Filing date: 1984-02-08
Publication date: 1985-08-08
Also published as: US4704654A; JPS60183939A; EP0153492A1

Description

2.2.198U Ko/Hm2.2.198U Ko / Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Schutzschaltung für durch elektrische Signale gesteuerte Gerate Protection circuit for devices controlled by electrical signals

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Schutzschaltung für durch elektrische Signale, insbesondere analoge Signale, gesteuerte Geräte nach der Gattung des Hauptanspruches .The invention is based on a protective circuit for electrical signals, in particular analog signals, controlled devices according to the genre of the main claim.

Aus der DE-OS 32 Uo 280 ist bereits eine Schutzschaltung für Analog- und Digitalsignale bekannt. Diese Analog- und Digitalsignale sind für einen Eingang eines durch elektrische Signale gesteuerten Gerätes bestimmt, das gegen positive und/oder negative Überspannung am Eingang durch die Schutzschaltung gesichert wird. Problematisch an einer solchen Schutzschaltung ist eine Nichtlinearität des Eingangswiderstandes des zu schützenden Gerätes von ca. 100 Millivolt pro Stromdekade des Eingangsstromes. Damit verbunden ist eine starke Temperaturabhängigkeit des Eingangswiderstandes, die eine Verfälschung etwa eines Meßergebnisses bewirken kann.From DE-OS 32 Uo 280 there is already a protective circuit known for analog and digital signals. These analog and digital signals are for one input of one determined by electrical signals controlled device that protects against positive and / or negative overvoltage on the Input is secured by the protective circuit. The problem with such a protective circuit is one Non-linearity of the input resistance of the device to be protected of approx. 100 millivolts per current decade of the input current. This is associated with a strong temperature dependence of the input resistance, the can cause a falsification of a measurement result.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung nach der Gattung des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, einen großen Spannungsbereich ohne Strombeeinflussung des Einganges des Gerätes zu besitzen. Im Arbeitspunkt ist ein sehr linearer und flacher Verlauf der Begrenzungsgeraden erreicht. Am Begrenzungspunkt, d.h. an der Begrenzungsspannung liegt ein sehr scharfer, temperaturunabhängiger Knick der Strom-Spannungs-Kennlinie vor. Damit kann der Aussteuerbereich des Gerätes, insbesondere eines Analog-Digital-Wandlers, bis auf einige 10 Millivolt an die Begrenzungsspannung herangeführt werden. Von weiterem Vorteil ist es, daß die gesamte Schutzschaltung lediglich aus Halbleiterelementen besteht, und somit leicht integrierbar ist, so daß die Erfindung weite Anwendungsfelder im Bereich der integrierten Schaltkreise findet.The protective circuit according to the invention according to the genre The main claim has the advantage of having a large voltage range without affecting the current of the input of the device. At the working point there is a very linear and flat course of the limiting straight line achieved. At the limit point, i.e. at the limit voltage, there is a very sharp, temperature-independent Bend in the current-voltage characteristic curve. This allows the control range of the device, in particular an analog-to-digital converter, brought up to a few tens of millivolts to the limit voltage will. Another advantage is that the entire protective circuit consists only of semiconductor elements exists, and is thus easily integrated, so that the invention has wide fields of application in the field of integrated Circuits finds.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen der Erfindung möglich. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung läßt sich in einfachster Weise in eine duale Struktur umformen, so daß eine Schutzschaltung zum Schutz gegen Überspannungen über eine obere Bezugsspannung in eine Schutzschaltung zum Schutz gegen Überspannungen unterhalb einer unteren Bezugsspannung umgeformt wird. Dabei ist es bei diskreten Schaltungsaufbauten vorteilhaft, die Stromquellen beider Schutzschaltungen durch einen einzigen gemeinsamen, hochohmigen Widerstand zu ersetzen. Bei einer Integration der Schaltung sind jedoch Stromquellen weniger flächenintensiv als hochohmige Widerstände.Advantageous embodiments of the invention are possible through the measures listed in the subclaims. The protective circuit according to the invention can be very simple Way to transform into a dual structure, leaving a protective circuit to protect against overvoltages via an upper reference voltage into a protective circuit for protection against overvoltages below a lower one Reference voltage is converted. In the case of discrete circuit structures, it is advantageous to use the current sources of both Replace protective circuits with a single common, high-resistance resistor. With an integration In the circuit, however, current sources require less space than high-value resistors.

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Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung ist eine schaltungstechnische Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung am Eingang eines nicht näher dargestellten, durch elektrische Signale gesteuerten, Gerätes dargestellt. An embodiment of the invention is shown in the drawing and in the following description explained in more detail. The drawing shows a circuit configuration of a protective circuit according to the invention at the input of a device, not shown, controlled by electrical signals.

Beschreibung des AusführungsbeispielesDescription of the embodiment

Die Zeichnung zeigt zwei Bezugsspannungen: An einer Klemme 1 liegt die erste Bezugs-Spannung U _ und an einer Klemme 2 die zweite Bezugsspannung Gnd. An eine Klemme 3 ist eine Eingangsspannungs U._D angelegt, die zur Verarbeitung in einem nicht näher dargestellten Analog-Digital-Wandler anliegt. Die beiden Bezugsspannungen U _ und Gnd führen ebenfalls zum Analog-Digital-Wandler. Das Ausführungsbeispiel weist zwei Schaltungshälften auf, die rechte Hälfte in der Zeichnung mit den Bauteilen 11 bis 15 dient zum Schutz gegen Überspannungen, die die erste Bezugsspannung U „ übersteigen, die linke Schaltungshälfte mit den Bauteilen 21 bis 25 ist dual symmetrisch zur rechten Schaltungshälfte aufgebaut und dient zum Schutz gegen Spannungen, die an der Klemme 3 anliegen und die zweite Bezugsspannung Gnd unterschreiten.The drawing shows two reference voltages: the first reference voltage U_ is applied to a terminal 1 and the second reference voltage Gnd is applied to a terminal 2. _{An input voltage U. D is} applied to a terminal 3 and is applied for processing in an analog-to-digital converter (not shown in detail). The two reference voltages U _ and Gnd also lead to the analog-digital converter. The embodiment has two circuit halves, the right half in the drawing with components 11 to 15 is used to protect against overvoltages that exceed the first reference voltage U ", the left circuit half with components 21 to 25 is dual symmetrical to the right circuit half and serves to protect against voltages that are applied to terminal 3 and which fall below the second reference voltage Gnd.

Ein erster Transistor 11 und ein zweiter Transistor 12 sind vom pnp-Typ und mit der Basis zusammengeschlossen. Der Emitter des Transistors 11 liegt an der Klemme 1, der Kollektor und die Basis sind zusammengeschlos-A first transistor 11 and a second transistor 12 are of the PNP type and are connected to the base. The emitter of transistor 11 is connected to terminal 1, the collector and the base are connected together.

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sen. Der Emitter des Transistors 12 führt an die Klemme 3· Zwei npn-Transistoren 13, 1^ sind ebenfalls mit der Basis zusammengeschlossen. Der Kollektor des Transistors 1U ist mit seiner Basis und mit dem Kollektor des Transistors 12 verbunden. Der Kollektor des Transistors 13 führt an den Kollektor des Transistors 11 und an eine Stromquelle 15· Die Emitter der Transistoren 13, lh führen an die Klemme 2.sen. The emitter of the transistor 12 leads to the terminal 3 · Two npn transistors 13, 1 ^ are also connected to the base. The collector of transistor 1U is connected to its base and to the collector of transistor 12. The collector of transistor 13 leads to the collector of transistor 11 and to a current source 15. The emitters of transistors 13, 1h lead to terminal 2.

Insgesamt besteht die Schaltung aus zwei übereinandergeschalteten komplementären Stromspiegeln, wie sie u.a. aus der Zeitschrift "Funkschau", 26/1983, Seiten kk ff, " bekannt sind. Dabei stellt im unteren Stromspiegel der Transistor 1k einen Eingangs- und der Transistor 13 einen Ausgangstransistor dar; entsprechend ist im oberen Stromspiegel der Transistor 11 ein Eingangs- und der Transistor 12 ein Ausgangstransistor.Overall, the circuit consists of two superimposed complementary current mirrors, as they are known from the magazine "Funkschau", 26/1983, pages kk ff. "In the lower current mirror, transistor 1 k provides an input transistor and transistor 13 an output transistor correspondingly, in the upper current mirror, transistor 11 is an input transistor and transistor 12 is an output transistor.

Die linke Schaltungshälfte zeigt eine duale Schaltungsstruktur zur rechten, wobei npn- in pnp-Typen übergeführt sind. Ebenfalls sind in dualer Weise die beiden Bezugsspannungen topologisch vertauscht. Ansonsten weist die Schutzschaltung auf der linken Hälfte der Zeichnung neben der dualen Struktur auch ein entsprechendes elektrisches Verhalten auf, so daß im nachfolgenden nur die rechte Schaltungsstruktur erläutert wird. Dabei ist zur Vereinfachung der Beschreibung die Bezifferung so gewählt, daß für den Transistor 11 der duale Transistor die Bezifferung 21 erhält, für den Transistor 12 der duale Transistor die Bezifferung 22 etc .The left half of the circuit shows a dual circuit structure to the right, with npn types being converted into pnp types are. The two reference voltages are also topologically interchanged in a dual manner. Otherwise the Protection circuit on the left half of the drawing, in addition to the dual structure, also a corresponding electrical Behavior on, so that in the following only the right circuit structure is explained. Included to simplify the description, the numbering is chosen so that the transistor 11 is the dual The transistor is numbered 21, and for transistor 12, the dual transistor is numbered 22 Etc .

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Im Normalbetrieb, d.h. U > U > Gnd fließt durch den Transistor 11 ein Ruhestrom in der Größenordnung von einigen Mikroampere in die Stromquelle 15 ab. Dadurch vird an der Basis des Transistors 12 eine Vorspannung erzeugt. Die. Transistoren 13, 1^ sind gesperrt.In normal operation, i.e. U> U> Gnd, a quiescent current in the order of magnitude of a few microamps flows through the transistor 11 into the current source 15 from. This creates a bias at the base of transistor 12. The. Transistors 13, 1 ^ are blocked.

Nähert sich U._D die Eingangsspannung der Bezugs-Spannung U _ auf einige Millivolt, so wird der Transistor 12 leitend. Dabei fließt ein Eingangsstrom von der Klemme 3 in den Transistor 12, und damit als Kollektorstrom in einen Stromspiegel, der aus den Transistoren 13, 1U gebildet wird. Damit hat der Kollektorstrom des Transistors 13 diesselbe Größe wie der des Transistors 12. Diese Stromspiegelung bewirkt eine Erhöhung der Emitter-Kollektor-Spannung am Transistor 11, so daß das Emitterpotential des Transistors 12, und damit das Eingangspotential an der Klemme 3, unabhängig vom Eingangsstrom die Bezugs-Spannung U _ nicht überschreiten kann. Durch die Transistoren 11, 13, 1U wird somit eine Spannungsregelung an der Klemme 3 über den Eingangsstrom durchgeführt, solange die Ausgangsspannung einer an der Klemme 3 angeschlossenen treibenden Schaltung größer als U ist. Der Eingangsstrom in die Klemme 3 wird somit lediglich durch den Ausgangswiderstand der treibenden Schaltung bestimmt .If U. _D approaches the input voltage of the reference voltage U _ to a few millivolts, the transistor 12 becomes conductive. An input current flows from terminal 3 into transistor 12 and thus as a collector current into a current mirror that is formed from transistors 13, 1U. The collector current of transistor 13 has the same size as that of transistor 12. This current mirroring causes an increase in the emitter-collector voltage at transistor 11, so that the emitter potential of transistor 12, and thus the input potential at terminal 3, is independent of the input current the reference voltage U _ cannot exceed. The transistors 11, 13, 1U thus regulate the voltage at terminal 3 via the input current as long as the output voltage of a driving circuit connected to terminal 3 is greater than U. The input current to terminal 3 is therefore only determined by the output resistance of the driving circuit.

Die symmetrische Struktur der Transistoren 11, 12 zu den Transistoren 13, 1U bewirkt eine ausgezeichnete Temperaturkompensation der Begrenzerschwelle bei einer Temperaturdrift des Eingangsstromes von weniger als etwa 0,2,uA/100° C.The symmetrical structure of the transistors 11, 12 to the transistors 13, 1U causes an excellent Temperature compensation of the limiter threshold with a temperature drift of the input current of less than about 0.2, uA / 100 ° C.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist in einfacher Weise integrierbar innerhalb eines integrierten Schaltkreises. Darin stellen auch die Realisierung der Stromquellen 15, 25 keine Probleme dar. Die beiden Stromquellen 15, 25 können aber auch in einfacher Weise durch einen einzigen hochohmigen Widerstand in der Größenordnung von einem Megaohm ersetzt, werden, wobei dieser Widerstand zwischen den Kollektor des Transistors 13 und den Kollektor des Transistors 23 geschaltet wird. Innerhalb eines integrierten Bausteines kann dieser Widerstand etwa als Feldeffekttransistor realisiert werden. Im Rahmen der Erfindung liegt selbstverständlich die Verwendung von Transistoren mit Mehrfach-Emittern, um etwa den Spiegelfaktor zu ändern. Zur Erhöhung der Grenzfrequenz der Schutzschaltung werden in vorteilhafter Weise schnelle pnp-Strukturen verwendet .The protective circuit according to the invention is simple Can be integrated within an integrated circuit. This also includes the realization of the power sources 15, 25 do not pose any problems. The two current sources 15, 25 can, however, also pass through in a simple manner a single high value resistor on the order of one megohm can be replaced, this being this Resistance between the collector of the transistor 13 and the collector of the transistor 23 is connected. This resistor can be implemented as a field effect transistor within an integrated module will. In the context of the invention, of course, is the use of transistors with multiple emitters, to change about the mirror factor. To increase the cut-off frequency of the protective circuit will be fast pnp structures are advantageously used.

Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Expectations

nJ protective circuit for devices controlled by electrical signals, the input (3) of _{which is protected against overvoltage compared to a first reference voltage (U n} ,,) by the protective

ns Xns X

circuit is secured, characterized in that the protective circuit consists of two superimposed through-connected complementary current mirror consists that the emitter of the first current mirror (13, 1 * 0 at a second reference voltage (GND) lie that the emitter of the output transistor (12) of the second current mirror (11, 12) is connected to the input (3), and that the emitter of the input transistor (11) of the second current mirror (11, 12) is connected the first reference voltage (U "_).

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2. Protection circuit according to claim 1, characterized in that a first protection circuit (11, 12, 13, 1 * 0 against a positive overvoltage compared to the first reference voltage (U _R _) is provided, that a second, dual to the first, protection circuit (21 , 22, 23, 2U) is provided against a negative overvoltage compared to the second reference voltage (GND), and that the first protective circuit is connected in parallel to the second protective circuit.

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3. Protection circuit according to claim 1 or 2, characterized in that that at the collector of the input transistor (11) of the second current mirror (11, 12) a current source (15) is connected.

U. Protection circuit according to claim 3, characterized in that the current source (15) by a high impedance Resistance or by at least one semiconductor element, preferably a field effect transistor, is formed.

5. Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the current mirror equipped with transistors with multiple emitters are.

6. Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized in that the protection circuit is integrated.